弧隙间距对电弧故障电流波形的影响及检测方法研究

张冠英，孙莹，张晓亮，季弘历

（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130）

弧隙间距对电弧故障电流波形的影响及检测方法研究

张冠英，孙莹，张晓亮，季弘历

（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130）

在串联电弧故障中，负载类型和弧隙间距是影响电弧电流波形特征的重要因素，然而当前大多研究集中在负载类型的影响上，对于弧隙间距的影响研究较少．本文基于电弧是一种气体放电现象，产生时伴有弧光这一依据，提出了一种利用弧光来标定电弧起熄时间的方法，方法在提高电弧故障试验数据可靠性的同时，还可以根据弧光信号的周期性脉冲计算电弧过程中电极距离的改变，进而分析弧隙间距对电弧电流波形及检测方法的影响．在此基础上，对几种典型负载进行了串联电弧故障试验，并用示波器同步采集了电弧电流和弧光数据，基于此数据分析了典型负载下弧隙间距对电弧电流波形特征以及不同检测方法的影响．分析结果对提高电弧故障检测方法的可靠性具有一定参考价值．

弧隙间距；弧光标定；电弧故障；电流波形；检测方法

在当前有关串联电弧故障检测的研究中，多数文献选择以电弧电流作为检测量[1-3]，并制作基于UL1699标准[4]的电弧发生器，通过调节电极距离来模拟电弧故障的发生，从而对电弧故障电流波形特征及检测方法进行研究[2-14]，这些研究大多集中在负载类型这一影响因素上，但在实际情况中，除负载类型这一因素外，电弧故障的电流波形特征的影响因素还有很多，例如电极材料和形状、气体特性以及弧隙间距等，其中弧隙间距也是一个重要因素，文献[15]在这方面做了一定的研究，其主要研究的是电极从闭合到断开这一过程中电极距离对电阻性负载的电弧故障电流、电压特征的影响，试验中要不断调节动触头位置，使电极间距保持一定距离，来保持电弧持续燃烧，这在实际操作以及电极距离测量上有一定难度．此外，对于电极距离引起的电流波形特征对检测方法的影响没有进行分析．参考判断电弧发生的依据：存在气体放电的客观条件并出现弧光，在电弧故障试验平台下，气体放电的客观条件是存在的，因此本文提出用弧光来标定电弧发生时间段，计算电弧发生过程中电极距离的改变，在此基础上研究了不同负载下电极断开和闭合两个过程弧隙间距对电弧电流波形特征以及检测方法的影响．方法的特点是用弧光信号来标示电弧发生的时间段，并用弧光信号上周期性的脉冲来标示电极距离的改变，使得电弧过程中电极距离的测量较为容易，同时提高了电弧故障试验数据的准确性，对提高电弧故障检测方法的可靠性有一定的参考价值．

1 电弧故障试验平台的建立与弧光标定方法的引入

本文的电弧故障试验平台框图如图1所示，其中电弧发生器如图2参照UL1699标准制作．

在图1中，弧光传感器的感光元件为光敏二极管，有效频谱覆盖可见光，反应时间远小于示波器的采样周期（0.05ms），所以在时间分辨率上标示电弧发生上是有效的．示波器是带存储功能的数字滤波器，可以进行多通道同步采集，本试验只用到2通道（电弧电流和弧光）；电流传感器工作的最高频率为100 kHz，大于本试验示波器的采样频率（20 kHz）；试验电源为220 V工频电源，由调压器从电网引入；负载选择为电阻、电磁炉、微波炉、可控硅调压器（二次侧接电阻）．

在图2中，石墨电极通过绝缘夹具与底座固定，钨铜电极为移动电极，固定在可移动的滑块上，由步进电机带动其运动，步进电机由单片机控制驱动，其步进脉冲间隔设定为0.25 s，每个步进距离为0.01mm．

具体试验时，将弧光传感器放置在靠近电极处，为了便于有效分辨电弧光信号，在较暗光线下进行试验．弧光传感器在没有电弧发生时输出信号为5V左右，当步进电机运动时，会对电极附近的光强产生周期脉冲性的影响，因此在弧光信号上会产生周期性的脉冲，此脉冲的周期与步进电机的周期是一致的，对应的电极距离变化为0.01mm，根据这个周期性的脉冲即可计算出电极间的距离．当电极间有电弧发生时，会产生强烈的间歇性弧光，在弧光传感器的输出信号上则表现为一系列向下的脉冲，根据这些向下的间歇性脉冲即可标示电弧发生的区间段．

图1 电弧故障试验平台Fig.1 Arcing faultexperimentalplatform

图2 电弧故障发生器Fig.2 Arcing faultgenerator

2 弧光标定的效果与意义

当前通过电弧发生器来模拟电弧故障通常有两种做法：一种做法先使电极闭合，然后不断拉大电极距离，到一定距离电弧起燃后，保持距离不变或者微调电极距离，以保持电弧稳定燃烧，采集电弧电流数据．这种方法在实际操作中存在一定难度，同时并不能保证采集过程中所得数据一直有电弧的燃烧，另外此方法中，不同文献选择稳定燃弧的距离可能不同，从而导致数据特征不同．另一种方法是先使电极闭合，然后不断拉大电极距离，过程跨越弧前、弧中、弧后全过程，示波器采集全过程的数据，这种方法在后期电弧故障数据分析中需要对正常段、燃弧段、熄弧段做一个区分，然而当前多数文献并没有对各段数据的区分进行说明，多数选择燃弧后期波形变化相对较为明显的部分加以分析（即人为观察出波形的差别）．本文采用第2种方法，并用弧光信号对弧前、弧中、弧后做有效区分．

图3a）是微波炉负载下电极断开过程中电流信号和弧光传感器的输出信号，由图看出，如果不用弧光信号做标示，单独根据电流波形的变化去确定电弧的发生时间段存在一定困难．而在弧光信号的指示下，确定电弧发生的时间段则较为容易．图3b）是可控硅调压器负载下的电弧发生情况，由图可知，此时电弧前后电流波形几乎一致，由电流波形确定电弧发生时间段则变得几乎不可能．图3c）是电阻负载下电弧发生前后的电流和弧光信号，由图可知，弧光信号不仅可以准确表示出电流波形上电弧发生的区间，还可根据弧光信号中周期性脉冲标示出电弧发生过程中电极距离的改变．

由图3的分析可知，采用弧光信号标示电流波形上电弧的发生区间可以提高电弧故障检测研究数据的可靠性，同时也可以标示出电弧发生过程中电极距离的变化情况，对研究弧隙间距对电弧电流波形特征及检测方法的影响具有重要意义．

图3 典型负载下的弧光和电流信号Fig.3 A rc lightand currentsignals under typical loads

3 弧隙间距对电流波形的影响及不同检测方法分析

3.1 电阻性负载

总结对比图4a）和图4b）可以得出：电阻负载下，电弧电流波形的零休区间与弧隙间距有关，弧隙间距越大，电流波形的零休区间则越大．在此结论下，如果试验中选取了较大弧隙间距下的电弧电流数据，则检测效果可能就较好；反之，如果试验数据对应较小弧隙间距，检测效果相对较差．

图5和图6分别是4b）电极断开过程对应的FFT频谱分析结果和AR模型分析结果．

图4 电阻负载下弧光和电流波形Fig.4 A rc lightand currentwaveforms under resistor load

由图5可知，弧光信号反映出的燃弧区间对应FFT分析的第20～60周期，在第20～40 FFT分析周期中，频谱特征仅在5次和9次谐波分量上有明显差异，而第50～60 FFT分析周期3～9奇次谐波能量幅值明显增大。说明随着弧隙间距的增大，电弧频谱特征更为明显。说明弧隙间距的改变影响电弧FFT分析的有效性。

AR模型分析，即用AR模型的参数作为电弧特征量，本文参考文献[9]，利用3阶AR模型中的a2和a3作为电弧特征量，并在坐标平面绘制散点图，图6中，AR模型分析周期为5个工频周期，散点图上点的序号与左侧时域波形图上AR分析周期序号相对应．由弧光时域波形可知，电弧过程第9个AR分析周期开始，到第24个AR分析周期结束，共持续75个工频周期，由散点图可知，在电极距离较小时，部分散点离正常散点很近，如第9～14个AR分析周期的散点，这时AR模型方法对于正常和电弧的区分度较差，随着弧隙间距的增大，正常电流和电弧电流对应的的散点区分度越来越大，如对应第18～23个AR分析周期的散点．

总结图5和图6，可以得出的结论是：电阻负载下，弧隙间距较小时，电弧电流波形特征不明显，傅里叶分析和AR模型方法的检测效果都较差，而在弧隙距离较大时，电弧电流波形的特征较为明显，相应的方法检测效果则会提高．

3.2 电磁炉负载

按照同样方法对电磁炉进行串联电弧故障试验，电磁炉功率选择为1 000W，采集电极开断过程（电磁炉由于不能自启动，故对电极闭合过程中的数据不做分析）中的弧光和电流数据，如图7．从图中可以看出，电弧刚开始产生时，电弧电流波形较正常电流波形相比变化不是很明显，仅在原来基础上叠加了少量的高频毛刺，随着电极断开过程的进行，电极间距离不断增大，电弧电流波形产生明显变化．图8和图9是电磁炉负载下傅里叶和AR模型参数的分析结果，FFT的分析周期为2个工频周期，AR分析周期为5个工频周期，由图可知，在电磁炉负载下电极距离改变对FFT方法和AR模型参数法与电阻负载下的结论有类似结果．

图5 电阻负载下电弧电流的FFT分析Fig.5 FFT analyzed resultunder resistor load

图6 电阻负载下电弧电流的AR模型分析Fig.6 ARmodelanalyzed resultunder resistor load

图7 电磁炉负载下电极断开过程Fig.7 A rc lightand currentwaveform sunder induction cooker load

图8 电磁炉负载下FFT分析Fig.8 FFT analyzed resultunder induction cooker load

图9 电磁炉负载下AR分析Fig.9 ARmodelanalyzed result under induction cooker load

3.3微波炉负载

对微波炉负载进行电弧发生装置试验，对电极断开和电极闭合过程中试验数据进行采集，如图10所示，其中a）为电极闭合过程，b）为电极断开过程．

在图10a）中，与正常工作电流相比，整个电弧产生过程中电弧波形都有明显变化；而在图10b）中，电极距离引起电流波形差别不太明显，且与正常工作电流的波形差异较小．总结来看弧隙间距变化对该类负载电弧电流波形特征的影响不明显．图11和图12分别为图10a）电极闭合过程中的FFT分析和AR分析结果．其中FFT分析周期为2个工频周期，AR分析周期为5个工频周期．由图可知，在电弧产生的整个过程中，傅立叶方法和AR模型方法均能较好地检测出电弧，电极距离的改变对这两种方法的检测效果影响较小．

图10 微波炉负载弧光和电流波形Fig.10 A rc lightand currentwaveforms underm icrowaveoven load

图11 微波炉负载下频谱分析Fig.11 FFT analyzed resultunderm icrowave oven load

3.4 可控硅负载

对可控硅负载进行电弧发生装置试验，可控硅调压器二次侧接50电阻，对电极断开和电极闭合过程中试验数据进行采集，如图13a）和图13b）所示．

由图可知，可控硅负载下，电弧前后的电流波形极其相似，并且可控硅负载下电弧过程较短，用弧光标示电弧发生以确定电弧电流的电弧区间段是非常有必要的，无法考察电极距离改变对电流波形的影响．

图14和图15是可控硅负载电极分离过程的FFT分析和AR分析结果，其中由于电弧过程较短，FFT的分析周期为一个工频周期，AR的分析周期为2个工频周期．由图可知，由于电弧前后电流波形极其相似，FFT检测方法和AR检测方法均不能有效的检测出电弧故障的发生．

图12 微波炉负载下AR分析Fig.12 ARmodelanalyzed result underm icrowave oven load

4 结束语

本文基于电弧的判断依据，提出了一种用弧光标示电弧发生的方法，方法不仅能够根据弧光信号标示出电流波形的电弧区间，还可以根据弧光传感器上输出的周期性脉冲计算出电极距离的改变．在此基础上，分析了典型负载下弧隙间距对电弧电流波形特征以及FFT、AR模型检测方法的影响．分析结果表明：1）应用弧光标定方法对电弧发生时刻进行标定是很有必要的，尤其是对于电弧电流与正常电流很相近的负载，使得对数据的分析更加准确、可靠；2）某些负载的电弧特征会受到电极距离的影响，电极距离越大，电弧特征越明显；3）电弧特征的明显程度对检测方法有影响．若选取电弧特征明显的部分，则能够比较容易地检测出电弧故障；若选取电弧特征不明显的部分，则会给检测带来难度，甚至无法检测出电弧故障．本文研究对于如何提高电弧故障试验数据的准确性和检测方法的可靠性具有一定的参考价值．

图14 可控硅负载下频谱分析Fig.14 FFT analyzed resultundersilicon controlled voltage regulator load

图15 可控硅负载下AR分析Fig.15 ARmodelanalyzed resultundersilicon controlled voltage regulator load

[1]张士文，张峰，王子骏，等．一种基于小波变换能量与神经网络结合的串联型故障电弧辨识方法[J]．电工技术学报，2014，29（6）：290-295，302．

[2]Muller Peter，Tenbohlen Stefan，Maier Reinhard，etal．Artificial low currentarc fault for pattern recognition in low voltage sw itchgear[C]//Electrical Contacts，2009 Proceedings of the 55th IEEEHolm Conference on，2009：15-21．

[3]LEEWeijen，SAHNIM，METHAPRAYOONK，etal．A novelapproach forarcing fault detection formedium-low-voltagesw itchgear[J]．IEEETransactionson Industry Applications，2009，45（4）：1475-1483．

[4]UL1699，ULstandard forsafety forarc faultcircuitinterrupters[S]．2nd Edition，2008．

[5]刘湘澎，李宏文，张小青，等．调光灯电弧电流的谐波分析[J]．电气应用，2012，31（20）：36-39．

[6]刘晓明，赵洋，曹云东，等．基于小波变换的交流系统串联电弧故障诊断[J]．电工技术学报，2014，29（1）：10-17．

[7]A runachalam S，Diong B．A param etricmodelapproach to arc faultdetection forDC and ACpowersystems[C]//Industry ApplicationsConference2006．41st IASAnnualMeeting．Conference Record of the2006 IEEE，2006，5：2249-2255．

[8]MA Shaohua，GUAN Lina．A rc fault recognition Based on BP neural networks[C]//M easuring Technology and Mechatronics Automation (ICMTMA)，2011 Third InternationalConference on，2011，1：584-586．

[9]雍静，桂小智，牛亮亮，等．基于自回归参数模型的低压系统串联电弧故障识别[J]．电工技术学报，2011，26（8）：213-219．

[10]王子骏，张峰，张士文，等．基于支持向量机的低压串联电弧故障识别方法研究[J]．电测与仪表，2013，50（4）：22-26．

[11]刘晓明，王丽君，侯春光，等．基于小波包能量熵的低压串联电弧故障诊断[J]．沈阳工业大学学报，2013，35（6）：1-7．

[12]窦甜华，段培永，段晨旭，等．一种建筑物低压供配电线路故障电弧检测新方法[J]．微计算机信息，2011，27（3）：159-161．

[13]尹同庆，陈洪亮．基于小波变换的故障电弧检测技术研究[J]．实验室研究与探索，2008，27（3）：19-21．

[14]时志娜．电气火灾故障电弧检测方法的研究[J]．电子质量，2009（2）：13-15．

[15]陈征，张峰，蔡鹏．弧隙间距对电弧故障特性影响的试验研究[J]．低压电器，2011（20）：1-4，39．

[责任编辑 代俊秋]

Arc gap's influence to arcing faultcurrentwaveform and study of detectionmethods

ZHANG Guanying，SUN Ying，ZHANG Xiaoliang，JIHongli

(Province-M inistry JointKey Laboratoryof Electromagnetic Fieldand ElectricalApparatusReliability,HebeiUniversityofTechnology, Tianjin 300130,China)

Load typeand arc gap are two im portant factors to the characteristicsofarcing currentwaveform in seriesarcing faults.The influence of load type w as studied inmany articles,w hile there are few paper discussed the influence of the arc gap.Based on thatarc isa phenomenon ofgasdischargeand thearc-lightofarc,amethodofmarking thearc'sstarting and ending timeby arc-lightwas put forward to im prove the reliability of the testdataand calculate the changesof the arc gap through the periodic pulse on arc sensor's output signal.The influence of arc gap to the arc currentwaveform and arcing fault detectionmethods can bealso studied.Based on that,serious arcing faultexperimentsunder several typical loadswereconducted and arc currentand arc-lightdatawerecollected synchronously using theoscilloscope.The influence of arcgap to thecharacteristicsofarc currentwaveform and arcing faultdetectionmethodsunderseveral typicalloadswere analyzed based on the testdata.Theanalysis resultshave somereference value to the improvementof reliability of arcing faultdetectionmethods.

arc gap;arc-lightmarking;arcing fault;currentwaveform;detectionmethod

TM 501.2

A

1007-2373(2015)02-0028-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.02.007

2014-11-10

河北省博士后科研资助项目（2012B15）；河北省科学技术研究与发展规划（11213567）；河北省高等学校创新团队领军人才培育计划（LJRC003）

张冠英（1969-），女（汉族），副教授．